JP5085847B2 - High-efficiency fuel cell power generation system with an expander for power generation - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2002年12月31日出願の米国特許出願No.10/335,538の継続出願である。上記米国出願は、ここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。 This application is filed with US patent application Ser. This is a continuation application of 10 / 335,538. The aforementioned US application is hereby incorporated by reference herein.
燃料電池は、反応の化学的エネルギを電気エネルギに変換する電気化学装置である。燃料電池は、アノード、カソード、およびこれらを隔てる電解質層で構成されている。動作において、一般的には水素ガスである反応物質がアノードに供給され、一般的には空気または他の酸素含有ガスである酸化剤が、カソードに供給される。燃料電池で起こる電気化学反応により電流が発生する。一般に燃料電池発電システムは、スタックと呼ばれることが多い複数セルの集合体で構成され、単セルの場合よりも高い電圧を取り出すことが可能である。 A fuel cell is an electrochemical device that converts the chemical energy of a reaction into electrical energy. A fuel cell is composed of an anode, a cathode, and an electrolyte layer separating them. In operation, a reactant, typically hydrogen gas, is supplied to the anode, and an oxidant, typically air or other oxygen-containing gas, is supplied to the cathode. An electric current is generated by an electrochemical reaction occurring in the fuel cell. In general, a fuel cell power generation system is composed of an assembly of a plurality of cells often referred to as a stack, and can extract a higher voltage than a single cell.
近年、燃料電池は有用なエネルギ源となってきており、車両用動力用途を含む小規模かつ可搬な電力源としての燃料電池の使用について関心が高まってきている。燃料電池発電システムの幅広い普及を妨げている理由の1つは、燃料電池の動作に必要な燃料、特に水素について、製造および供給のための広いインフラ整備がなされていないためである。この問題を克服するために、通常の炭化水素燃料で動作するハイブリッド発電システム(改質式燃料電池システム)を使用する試みがなされてきている。かかるシステムにおいては、炭化水素燃料が、まずシステム内に組み込まれた車上燃料改質器によって水素を含有する改質燃料に変換され、次いで得られた改質燃料が燃料電池を動作させるべく使用される。 In recent years, fuel cells have become a useful energy source, and there is increasing interest in the use of fuel cells as small and portable power sources, including vehicular power applications. One of the reasons that hinders the widespread use of fuel cell power generation systems is the lack of extensive infrastructure for production and supply of fuel, particularly hydrogen, required for fuel cell operation. In order to overcome this problem, attempts have been made to use a hybrid power generation system (reforming fuel cell system) that operates on ordinary hydrocarbon fuel. In such a system, hydrocarbon fuel is first converted to reformed fuel containing hydrogen by an on-board fuel reformer incorporated in the system, and then the resulting reformed fuel is used to operate the fuel cell. Is done.
将来においては、水素が近隣の水素貯蔵システムによって供給され、あるいは(据え置き用途においては)遠方の供給源から直接供給される非ハイブリッド方式すなわち「純」水素方式燃料電池発電システム(すなわち、改質器が存在しない)を使用することが、費用対効果の点でますます有利になると予想される。さらに、燃料電池のアノード上で水素を生成できるよう、燃料電池にアルコールなどの容易に改質される燃料、特にメタノールを供給することによって、燃料改質サブシステムを別途使用することが不要となる。 In the future, non-hybrid or “pure” hydrogen fuel cell power generation systems (ie, reformers) where hydrogen is supplied by nearby hydrogen storage systems or (in stationary applications) directly from a remote source Is not expected to be more cost effective. Further, by supplying the fuel cell with an easily reformed fuel such as alcohol, particularly methanol, so that hydrogen can be generated on the anode of the fuel cell, it is not necessary to use a separate fuel reforming subsystem. .
これらいずれの燃料電池ベースの発電システムにおいても、特に移動式または可搬式の発電用途においては、システム効率がわずかなに向上しただけでも、システムの寸法、重量および費用対効果の点で、決定的な差を生じうる。 In any of these fuel cell-based power generation systems, especially in mobile or portable power generation applications, a slight improvement in system efficiency is critical in terms of system size, weight and cost effectiveness. Can make a big difference.
本発明は、広くには、効率を向上させた燃料電池を基盤とした発電システムに関するものであり、前記燃料電池を基盤とした発電システムには、燃料改質器/燃料電池が一体化された改質方式および「純」水素方式を含む。一態様において、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の低温廃熱を好都合に利用して追加の出力を発生させ、これにより全体のシステム効率向上が可能となる。このシステムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池、燃料電池のアノードに供給される水素ガスの供給源、ならびに燃料電池のカソードに供給される加圧空気流を生成する圧縮機を有する。カソードの加圧空気流とアノードの水素ガスとが燃料電池において反応し、電気の出力および廃熱が生成される。このシステムは、さらに、燃料電池から低温廃熱を除去する冷却用液体(例えば水)を有している。この冷却用液体が、この発電システムの廃熱によって直接的または間接的に加熱され、おそらくは燃料電池カソードへの、燃料電池カソードからの、あるいは燃料電池カソード内の酸化剤空気流である加圧空気流中に気化し、蒸気含有加圧空気流が生み出される。次いで、この蒸気含有空気流が、燃料とともにバーナに供給されて燃焼し、高温の蒸気含有排気流が生成される。この蒸気含有排気流が、タービンなどの膨張機を駆動して出力をもたらす。膨張機からの出力は、通常は、前記空気の圧縮に必要とされる動力を超えており、膨張機の出力を、動力の取り出しを介して、圧縮機やポンプなど当該システムの補助的な構成要素を駆動するために使用でき、さらに/あるいは発電機を駆動するなどによって、燃料電池からのシステム出力を補足するために使用することができる。 The present invention generally relates to a power generation system based on a fuel cell with improved efficiency, and a fuel reformer / fuel cell is integrated in the power generation system based on the fuel cell. Includes reforming and “pure” hydrogen systems. In one aspect, the fuel cell system of the present invention advantageously utilizes the low temperature waste heat of the fuel cell to generate additional output, thereby improving overall system efficiency. The system has a fuel cell having an anode and a cathode, a source of hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell, and a compressor that generates a flow of pressurized air supplied to the cathode of the fuel cell. The cathode pressurized air stream and the anode hydrogen gas react in the fuel cell to produce electrical output and waste heat. The system further includes a cooling liquid (eg, water) that removes low temperature waste heat from the fuel cell. The cooling liquid is heated directly or indirectly by the waste heat of the power generation system and is preferably pressurized air, which is an oxidant air stream to, from, or in the fuel cell cathode. Vaporization in the stream produces a steam-containing pressurized air stream. This steam-containing air stream is then supplied to the burner along with fuel and burned to produce a hot steam-containing exhaust stream. This steam-containing exhaust stream drives an expander such as a turbine to provide output. The output from the expander usually exceeds the power required for the compression of the air, and the output of the expander is connected to the auxiliary structure of the system such as a compressor and a pump through the extraction of power. It can be used to drive the elements and / or can be used to supplement the system output from the fuel cell, such as by driving a generator.
或るいくつかの実施形態において、システムは冷却ループを有しており、流体がシステム内を循環して燃料電池から廃熱を除去する。加圧空気中に気化する冷却用液体は、この冷却ループの流体を含む場合があり、あるいは、この冷却ループの流体によって過熱される場合もある。 In some embodiments, the system has a cooling loop and fluid circulates through the system to remove waste heat from the fuel cell. The cooling liquid that vaporizes into the pressurized air may contain the fluid of this cooling loop or may be overheated by the fluid of this cooling loop.
他の実施形態においては、冷却用の液体を燃料電池内に直接噴射することによって燃料電池が冷却される。この場合、この冷却用の液体を、燃料電池内で加圧空気中に気化させることができる。 In other embodiments, the fuel cell is cooled by injecting a cooling liquid directly into the fuel cell. In this case, the cooling liquid can be vaporized in the pressurized air in the fuel cell.
本発明は、燃料電池発電システムからの低温の廃熱を好都合に利用することによって、燃料電池およびブレイトン・サイクルの効率の改善を達成することができる。よく知られている「PEM」セル(ポリマー電解質膜型またはプロトン交換膜型セル;固体高分子電解質膜型セルと呼ばれることもある)など、通常の低温燃料電池において生成される廃熱は、追加の有用な出力を生み出すような方法で回収することが困難であると知られている。例えば、多くの低温燃料電池は200℃を下回る温度で動作し、さらに典型的には、100℃を下回る温度で動作する。例えば、現在の既存のPEM燃料電池は、50℃〜100℃の間の温度で動作する。これらの低温燃料電池の熱廃棄の温度は、蒸気タービンまたは他のランキン型の「ボトミング・サイクル」などの通常の手段によるエネルギ回収にとって、あまりに低すぎる。したがって、このような低温燃料電池の廃熱は、閉ループのラジエタまたは他の手段によって、単に環境に放出されている。 The present invention can achieve improved fuel cell and Brayton cycle efficiencies by advantageously utilizing low temperature waste heat from the fuel cell power generation system. Waste heat generated in ordinary low temperature fuel cells, such as the well-known “PEM” cell (polymer electrolyte membrane type or proton exchange membrane type cell; sometimes called solid polymer electrolyte membrane type cell) It is known to be difficult to recover in a way that produces useful output. For example, many low temperature fuel cells operate at temperatures below 200 ° C, and more typically operate at temperatures below 100 ° C. For example, current existing PEM fuel cells operate at temperatures between 50 ° C and 100 ° C. The temperature of these low temperature fuel cell thermal wastes is too low for energy recovery by conventional means such as a steam turbine or other Rankine type “bottoming cycle”. Thus, the waste heat of such a low temperature fuel cell is simply released to the environment by a closed loop radiator or other means.
一方、本発明においては、この低温の廃熱の少なくとも一部が、廃熱のエネルギを使用して水を加圧空気中に気化させ、大きな膨張ポテンシャルを有する加圧蒸気/空気流を生成することによって、好都合に回収される。次いで、この蒸気/空気混合物がバーナで燃焼され、これにより本システムは、蒸気含有バーナ排気の膨張によって大きな追加の出力を生成できる。蒸気が、排気空気単独と比べ、膨張機を介して追加の質量流量(すなわち、比熱が調節された質量流量)をもたらす。実質的に、本発明は、ブレイトン・ターボ圧縮機ボトミング・サイクルに、ランキンサイクルすなわち蒸気サイクルの出力追加を加える。 On the other hand, in the present invention, at least a part of this low-temperature waste heat uses the waste heat energy to vaporize water into the pressurized air, producing a pressurized steam / air stream with a large expansion potential. Is conveniently recovered. This steam / air mixture is then burned in a burner, which allows the system to generate a large additional power by expansion of the steam-containing burner exhaust. Steam provides an additional mass flow rate (ie, a mass flow with a regulated specific heat) through the expander compared to exhaust air alone. In essence, the present invention adds a Rankine cycle or steam cycle output addition to the Brayton turbo compressor bottoming cycle.
さらに、この膨張機の余分な出力は、暖かい水を加圧空気中に気化させること(すなわち、「分圧効果」)による低温「廃」熱の回収に由来するため、わずかなコスト、あるいはコストなしで得ることができる。得られたエネルギは、基本的に、水の気化で消費された潜熱である。潜熱の量はきわめて大きく、60℃の水を気化させるために1グラム当たり約2326ジュールを要するのに対し、気化した水(蒸気)をさらに800℃加熱するためには、1グラム当たり約1465ジュールの追加しか必要としない。水の気化の前に空気を加圧する手順は、空気を圧縮するためにかなりのエネルギが費やされる一方で、水を同じ圧力まで圧縮するために必要なエネルギはきわめて小さいため、効率改善を最大にするために重要である。 In addition, the extra output of this expander comes from the recovery of low temperature “waste” heat by vaporizing warm water into pressurized air (ie, “partial pressure effect”), resulting in little or no cost. You can get without. The energy obtained is basically the latent heat consumed by water vaporization. The amount of latent heat is very large, requiring about 2326 joules per gram to vaporize 60 ° C. water, while about 1465 joules per gram to heat the vaporized water (steam) to 800 ° C. Only need to be added. The procedure of pressurizing air prior to water vaporization consumes significant energy to compress the air, while the energy required to compress water to the same pressure is extremely small, maximizing efficiency improvements. Is important to do.
或るいくつかの実施形態においては、本燃料電池発電システムは、燃料電池/燃料改質器の一体化すなわち「ハイブリッド方式」システムからなる。このシステムにおいては、燃料電池のための水素供給源は、一般的な炭化水素燃料などの入力燃料を1つまたはそれ以上の化学反応を介して水素含有改質燃料に変換する燃料改質器(または燃料処理器)である。次いで、この改質燃料が燃料電池のアノード側において燃料として使用される。このようなシステムにおいては、通常、バーナを用いて熱を供給し、吸熱反応である燃料改質反応を支える。本発明の或るいくつかの実施形態においては、燃料電池からの蒸気含有排気を改質器バーナに供給し、燃料(この燃料は、随意により燃料電池から排出された未使用の水素を含む)とともに燃焼させて、膨張機を駆動する蒸気含有排気を生成することができる。 In some embodiments, the fuel cell power generation system comprises a fuel cell / fuel reformer integrated or “hybrid” system. In this system, a hydrogen source for a fuel cell is a fuel reformer that converts an input fuel, such as a common hydrocarbon fuel, into a hydrogen-containing reformed fuel via one or more chemical reactions ( Or a fuel processor). This reformed fuel is then used as fuel on the anode side of the fuel cell. In such a system, usually, heat is supplied using a burner to support a fuel reforming reaction that is an endothermic reaction. In some embodiments of the present invention, steam-containing exhaust from a fuel cell is supplied to a reformer burner and fuel (this fuel optionally comprises unused hydrogen discharged from the fuel cell). It can be burned together to produce steam-containing exhaust that drives the expander.
他の実施形態においては、燃料電池発電システムが、ハイブリッド化されていない「純」水素方式燃料電池からなる。これらの燃料電池は、個々に改質器と一体化されておらず、代わりに、貯蔵されている水素または遠隔地から供給されてくる水素などの他の供給源からの水素によって運転される。通常の「純」水素方式燃料電池は、燃料改質反応を支える必要がないため、バーナを備えていない。典型的な装置においては、水素が燃料電池の「行き止まり」のアノード側に供給される。すなわち動作の間、水素がアノード内に含まれたままである。水および未反応水素などのセルの中身が、「パージ」サイクルによって周期的に環境に放出され、燃料電池の動作を再開させるため新たな水素供給が加えられる。 In another embodiment, the fuel cell power generation system comprises a “pure” hydrogen fuel cell that is not hybridized. These fuel cells are not individually integrated with the reformer, but instead are operated with hydrogen from other sources such as stored hydrogen or hydrogen supplied from a remote location. Conventional “pure” hydrogen fuel cells do not have a burner because they do not need to support a fuel reforming reaction. In a typical device, hydrogen is supplied to the “dead end” anode side of the fuel cell. That is, hydrogen remains contained within the anode during operation. The contents of the cell, such as water and unreacted hydrogen, are periodically released to the environment by a “purge” cycle, and a new hydrogen supply is added to resume fuel cell operation.
対照的に、本発明の「純」水素方式燃料電池システムは、膨張機を駆動用の蒸気含有排気流を供給するために、燃料を加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させるバーナを有している。或るいくつかの実施形態においては、バーナで燃焼される燃料は、燃料電池アノードから定期的または連続的に再循環される未反応水素を含んでいる。燃料はまた、水素貯蔵タンクなど、燃料電池への水素供給用と同じ供給源からの燃料を追加で含んでいてもよい。酸化剤が燃料電池に入るよりも前、燃料電池から出た後、および/または燃料電池内にあるときに、廃熱によって暖められた水を加圧された酸化剤流中に気化させることにより、本発電システムからの廃熱の少なくとも一部が回収される。次いで、得られた空気/蒸気混合物が、随意によりバーナの排気により予熱され(随意により、さらなる水の空気中への気化をもたらしてもよい)、その後に、燃料とともに燃焼されて蒸気含有バーナ排気を生成する。次いで、この排気が膨張機において膨張し、通常は空気の圧縮に使用される動力を事実上超える出力が生成される。 In contrast, the “pure” hydrogen fuel cell system of the present invention has a burner that burns fuel with a pressurized air / steam mixture to provide a steam-containing exhaust stream for driving the expander. ing. In some embodiments, the fuel burned in the burner contains unreacted hydrogen that is periodically or continuously recycled from the fuel cell anode. The fuel may also include additional fuel from the same source for supplying hydrogen to the fuel cell, such as a hydrogen storage tank. By vaporizing water warmed by waste heat into a pressurized oxidant stream before the oxidant enters the fuel cell, after leaving the fuel cell, and / or when in the fuel cell. At least a part of the waste heat from the power generation system is recovered. The resulting air / steam mixture is then optionally preheated by burner exhaust (which may optionally result in further water vaporization into the air) and then combusted with fuel to produce a steam containing burner exhaust. Is generated. This exhaust then expands in the expander, producing an output that effectively exceeds the power normally used to compress the air.
本発明の純水素方式燃料電池発電システムは、加圧空気流をカソードの酸化剤として好都合に使用し、燃料電池出力の向上、または所与の出力に対する燃料電池サイズの小型化をもたらす。さらに、蒸気含有排気の膨張によって生成される出力が空気の加圧に必要とされる動力を補って余りあるため、空気流の高圧化に由来する性能の向上は、余分な負荷を生み出さない。当然ながら、バーナの追加は、通常はいくらかの追加の燃料がバーナで消費されるため、システムの効率を低下させる傾向にある。しかしながら、加圧カソード空気流中への水の気化によってシステムの廃熱から回収されるエネルギは、これを相殺して余りある。蒸気含有排気の膨張は、空気の圧縮およびバーナで使用される余分な燃料のコストを超える正味のエネルギを生成し、したがって、システム全体の効率が改善される。しかも、得られたシステムは、通常はきわめて柔軟性が高く、過渡現象に瞬時に応答することができる。 The pure hydrogen fuel cell power generation system of the present invention advantageously uses a pressurized air stream as the cathode oxidant, resulting in improved fuel cell output or reduced fuel cell size for a given output. Furthermore, the performance generated by the increased air flow does not create an extra load because the output generated by the expansion of the steam-containing exhaust is more than enough to compensate for the power required to pressurize the air. Of course, the addition of a burner tends to reduce the efficiency of the system, usually because some additional fuel is consumed in the burner. However, the energy recovered from the waste heat of the system by vaporizing water into the pressurized cathode air stream is more than offset. The expansion of the steam-containing exhaust produces net energy that exceeds the cost of air compression and the extra fuel used in the burner, thus improving overall system efficiency. Moreover, the resulting system is usually very flexible and can respond instantaneously to transients.
さらに他の態様によれば、本発明は、燃料電池発電システムおよびそのようなシステムを運転する方法を含んでおり、当該システムは、アノードおよびカソードを備える燃料電池、電力の出力を生成するため燃料電池のカソードに供給される加圧空気流を生成するための圧縮機、前記加圧空気流と連通し、少なくともその一部が当該発電システムの廃熱によって加熱され、前記加圧空気流中に気化して空気および蒸気からなる加圧混合物を生成する冷却用液体、燃料を前記加圧蒸気/空気混合物と一緒に燃焼させて高温排気蒸気含有排気流を生成するためのバーナ、および前記排気により駆動されて出力を生成する膨張機を有している。さらに、本システムは、システムから排気を放出する前に膨張後のバーナ排気から気化している液体の少なくとも一部を回収するため、ラジエタなどの凝縮装置を備えている。或るいくつかの実施形態においては、本システムは、バーナ排気から気化している液体の回収を促進するため、バーナ排気に背圧を加えるための装置をさらに備えている。背圧は、排気流の露点を高めるために選択的に加えることができ、特にシステムが高い周囲温度にて運転しているときに、排気中の液体をより容易に回収できるようにする。この技法は、「純」水素方式燃料電池、および燃料電池内で燃料を水素に直接変換する「直接方式」燃料電池、ならびに一体化された燃料改質器サブシステムを備える「ハイブリッド方式」燃料電池発電システムに適用可能である。 According to yet another aspect, the present invention includes a fuel cell power generation system and a method of operating such a system, the system comprising a fuel cell comprising an anode and a cathode, a fuel for generating power output A compressor for generating a pressurized air stream to be supplied to the cathode of the battery, in communication with the pressurized air stream, at least a part of which is heated by the waste heat of the power generation system, A cooling liquid that evaporates to produce a pressurized mixture of air and steam, a burner for combusting fuel with the pressurized steam / air mixture to produce an exhaust stream containing hot exhaust steam, and the exhaust It has an expander that is driven to produce output. In addition, the system includes a condenser, such as a radiator, to recover at least a portion of the liquid vaporized from the expanded burner exhaust before releasing the exhaust from the system. In some embodiments, the system further comprises a device for applying back pressure to the burner exhaust to facilitate recovery of the liquid vaporized from the burner exhaust. Back pressure can be selectively applied to increase the dew point of the exhaust stream, making it easier to recover the liquid in the exhaust, especially when the system is operating at high ambient temperatures. This technique involves a “pure” hydrogen fuel cell and a “hybrid” fuel cell with a “direct” fuel cell that directly converts fuel to hydrogen within the fuel cell, as well as an integrated fuel reformer subsystem. Applicable to power generation systems.
本発明の以上の目的、特徴および利点、ならびに他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示した本発明の好ましい実施形態についての以下のさらに詳細な説明から、明らかになるであろう。添付の図面においては、同一の参照符号は、異なる図においても同じ部品であることを示す。図面は必ずしも実際の縮尺ではなく、本発明の原理を説明するために強調がなされている場合もある。 The above objects, features and advantages of the present invention, as well as other objects, features and advantages will become apparent from the following more detailed description of the preferred embodiments of the present invention as illustrated in the accompanying drawings. In the accompanying drawings, the same reference numerals indicate the same parts in different drawings. The drawings are not necessarily to scale, emphasis may be placed upon illustrating the principles of the invention.
本発明は、広くには、発電システムから低温廃熱を回収し、この熱を有用なエネルギに変換することによって燃料電池発電システムの動作効率を改善するための方法および装置に関する。本明細書に記載の発電システムは、一般的には水素と酸素である、2つの反応物質の隔壁を介した電気化学反応により電力を生成する装置である燃料電池を利用する。燃料電池は、通常は、燃料電池単体から得られる電圧よりも高い電圧を取り出すため、複数のセルを積層して燃料電池「スタック」とする。本明細書において、「燃料電池」という表現が使用される場合は、特に指定しない限りは、燃料電池単体および燃料電池「スタック」の両方を含むものとする。 The present invention relates generally to a method and apparatus for improving the operating efficiency of a fuel cell power generation system by recovering low temperature waste heat from the power generation system and converting this heat into useful energy. The power generation system described herein utilizes a fuel cell, which is a device that generates electrical power through an electrochemical reaction through the bulkhead of two reactants, typically hydrogen and oxygen. In general, a fuel cell takes out a voltage higher than a voltage obtained from a single fuel cell. Therefore, a plurality of cells are stacked to form a fuel cell “stack”. In this specification, when the expression “fuel cell” is used, it includes both a single fuel cell and a fuel cell “stack” unless otherwise specified.
本発明が特に適用可能である燃料電池には、約200℃未満、さらに典型的には約100℃未満の熱を廃棄する燃料電池が含まれる。これらの「低温」燃料電池としては、「PEM」燃料電池が最も一般的である。これらの装置は高分子膜を使用し、この高分子膜を介して電位が形成され、この膜の特性により、現在のところこの燃料電池の動作温度が約100℃に制限されている。将来には、この温度限界が150℃以上に上昇し、200℃に近づく可能性もあると期待される。これら低温燃料電池の特徴は、それらが充分に高い温度で動作していないため、効率的なエネルギ回収のために一般的な蒸気タービンボトミング・サイクルを使用できないことである。「直接メタノール」方式(メタノールや、場合によっては他のアルコールまたは燃料のその場触媒改質によって、膜上またはその近傍で直接水素が生成される)など、種々の方式のPEMセルも、通常はこれと同じ範囲の動作温度を有している。 Fuel cells to which the present invention is particularly applicable include fuel cells that dissipate heat below about 200 ° C., more typically below about 100 ° C. Of these “low temperature” fuel cells, “PEM” fuel cells are the most common. These devices use a polymer membrane, and an electric potential is generated through the polymer membrane. Due to the characteristics of this membrane, the operating temperature of the fuel cell is currently limited to about 100 ° C. In the future, it is expected that this temperature limit will rise to 150 ° C or higher and may approach 200 ° C. A feature of these low temperature fuel cells is that they cannot operate at a sufficiently high temperature so that a typical steam turbine bottoming cycle cannot be used for efficient energy recovery. Various types of PEM cells, such as the “direct methanol” method (where in situ catalytic reforming of methanol and possibly other alcohols or fuels produces hydrogen directly on or near the membrane) It has an operating temperature in the same range.
本発明は、一体化燃料改質器/燃料電池発電システム、ならびに非ハイブリッド方式すなわち「純」水素方式燃料電池発電システムに適用可能である。一体化燃料改質器/燃料電池発電システムは、炭化水素ベースの燃料を、通常水素、二酸化炭素、および他の微量のガスを含む改質燃料に変換する燃料改質器(一般に燃料処理器とも称される)を有しており、次に、この改質燃料が、電気を発生させるために燃料電池で使用される。燃料処理器は、通常は、燃料電池にとって有害な一酸化炭素などの燃料電池に有害な諸成分の濃度を最小化するための補助装置も有する。 The present invention is applicable to integrated fuel reformer / fuel cell power generation systems, as well as non-hybrid or “pure” hydrogen fuel cell power generation systems. An integrated fuel reformer / fuel cell power generation system is a fuel reformer (commonly known as a fuel processor) that converts hydrocarbon-based fuels into reformed fuels that typically contain hydrogen, carbon dioxide, and other trace gases. This reformed fuel is then used in a fuel cell to generate electricity. The fuel processor also typically has an auxiliary device for minimizing the concentration of components harmful to the fuel cell, such as carbon monoxide, which is harmful to the fuel cell.
対照的に、非ハイブリッド方式、すなわち「純」水素方式燃料電池発電システムは、燃料電池に水素燃料を供給するために別個の燃料処理器または改質器を使用しない。非ハイブリッドシステムにおいては、通常は、加圧水素ガスの貯蔵タンク、金属マトリクス内の水素化物貯蔵、または液体水素などの水素貯蔵源から、水素が供給される。さらに、水素の貯蔵には、ホウ化水素ナトリウムなど、容易に動かすことができる、すなわち不安定な化学形態で保存された水素も含まれる。ホウ化水素の存在下では、乾燥化学物質に水を加えると、水素が分離できる。また、遠方の供給源から、例えば水素パイプラインによって供給することもできる。一般に、非ハイブリッド方式燃料電池にて使用される水素は、実質的に「純粋」な水素燃料、すなわち、水素以外の成分、特には燃料電池にとって有害な成分を実質的に含んでいない燃料である。 In contrast, non-hybrid or “pure” hydrogen fuel cell power generation systems do not use a separate fuel processor or reformer to supply hydrogen fuel to the fuel cell. In non-hybrid systems, hydrogen is typically supplied from a hydrogen storage source such as a pressurized hydrogen gas storage tank, a hydride store in a metal matrix, or liquid hydrogen. In addition, hydrogen storage includes hydrogen that can be easily moved, ie, stored in an unstable chemical form, such as sodium borohydride. In the presence of borohydride, hydrogen can be separated by adding water to the dry chemical. It can also be supplied from a remote source, for example by a hydrogen pipeline. In general, the hydrogen used in non-hybrid fuel cells is a substantially “pure” hydrogen fuel, ie, a fuel that is substantially free of components other than hydrogen, particularly components that are harmful to the fuel cell. .
実施形態1
本発明の一体化された燃料改質器/燃料電池発電システムの一実施形態が、図1に概略的に示されている。バーナ10が、空気/蒸気12、燃料14、および好ましくは再循環された燃料電池アノード排気16の供給を受け、これらを燃焼させて高温の排気20を生成する。バーナへの投入物(空気、燃料、および再循環される燃料電池排気)のいずれかまたはすべては、除去するべき熱を含む任意の適切な領域における熱交換によって、予熱することができる。特に、以下に述べるとおり、通常は空気/蒸気流12が予熱される。
Embodiment 1
One embodiment of an integrated fuel reformer / fuel cell power generation system of the present invention is schematically illustrated in FIG. A
バーナ排気は、改質器かつ/または概略的に図示されているシェル式交換器26など他の種類の熱交換器の壁との接触により、その熱を改質器24に伝える。改質器には、システムそれぞれの設計に応じ、燃料、蒸気、および随意により酸素または空気が注入される(見易くするために、これらの入力は図示されていない)。熱交換器26は、随意により、空気/蒸気を符合12でのバーナへの注入に先立って過熱するための追加の熱交換器28を備えることができる。次いで、十分には冷却されていないバーナ排気30が膨張機32を通過し、膨張機32から機械的エネルギが回収される。膨張機は、符号22で示される位置に配置することもできる。この構成は、改質が容易な燃料の場合に好ましく使用される。
The burner exhaust transfers its heat to the
次いで、排気は熱交換器34を通過し、続いて、再循環のため水を回収するべく凝縮器36に入り、残留ガスは放出される。再循環された水38は、ポンプ42に接続されているタンク40にて回収され、ポンプ42から、燃料電池44へ水が供給される。システムの他の場所でも回収される水も、タンクに供給される。
The exhaust then passes through the
改質燃料50は、燃料電池が一酸化炭素の除去を必要としない場合を除き、一酸化炭素除去システム52を通過する。CO除去システムには、蒸気、水または空気(図示されていない)が投入され、低CO改質燃料または水素54を排出する。後者の場合には、さらに脱水素改質燃料53もまた排出され得る。53は、存在する場合、バーナ10に再循環される。次いで、水素含有ガス54は、随意による熱交換器56を通過する。ガスから水を取り除くため、熱交換器56に凝縮器を組み込むことができ、あるいは熱交換器56を凝縮器で補完することができる。熱交換器56は、特にCO除去装置がPSA(圧力変動吸着装置)または膜分離装置であるとき、随意である。次いで、改質燃料または水素が、随意による減圧弁58を通って燃料電池44に入る。燃料電池のアノード側の排気60は、バーナの注入口16に再循環される。
The reformed
燃料電池44は、ポンプ42から加圧水を受け取る。水は、燃料電池内の熱交換器46を通過し、これにより、燃料電池内で生じた熱を除去するための冷却がなされる。この冷却水は、混合器62に送られる。混合器において、暖かい冷却水が圧縮機64によって供給される圧縮空気と混合され、水が蒸発し、結果として得られる空気/蒸気混合物に蒸発の際の潜熱が伝達される。供給される圧縮空気の量は通常、全出力における水素の消費に必要な化学量論量を少なくとも100%上回っている。もし蒸発しない水が存在すれば、それは、随意によるラジエタ66を通じて水タンク40に再循環される。あるいは、そのような水の一部また全部が、燃料電池を通過した後の空気/蒸気混合物に注入される。
The
混合器62からの、圧縮され随意により飽和した空気が、燃料電池カソード室に酸化剤を供給するため、注入口68から燃料電池44に入る。この空気/蒸気混合物70は、排出口72において燃料電池から出て、システムの構成要素との交換によって加熱される。例えば、熱交換器56を通り、あるいはCO除去システム52と改質器24との間に位置する熱交換器(図示されていない)を通って、改質燃料50との交換によって加熱を行なうことができる。低温の熱もまた、凝縮器36などの種々の凝縮器のいずれかにより回収され、その後加熱の高温段階に入る。さらに、随意により、空気/蒸気混合物70を、CO除去部52内の熱交換器によって予熱してもよい。熱の吸収を促進するため、システムの低温部分、すなわち燃料電池の排出口から熱交換器34の注入口の付近までにおいて、追加の水を空気/蒸気混合物に加えてもよい。空気/蒸気の経路のより高温の部分に水を追加することは可能だが、メリットは少ない。
Compressed and optionally saturated air from
次いで、空気/蒸気混合物70は、熱交換器34におけるバーナ排気との熱交換によって、より高い温度に加熱される。この熱交換のステップによって、改質器および膨張機から出た後のバーナ排気から熱の大部分が回収され、これにより排気が水回収のための凝縮に備えられる。空気/蒸気混合物は、排気熱交換器から出るときには過熱蒸気となっている。空気/蒸気混合物中に液体として残っている水は、蒸気の過熱の前に除去されることが好ましく、例えばタンク40に回収される。随意によるさらなる加熱ステップとして、空気/蒸気混合物が、例えば膨張機28の上流の排気との交換、または符号50における改質燃料との交換によって、さらに過熱される。
The air /
最後に、空気/蒸気混合物が、空気/蒸気注入口12からバーナ内に供給され、燃料流、再循環された改質燃料流およびアノード排気流のうちの1つまたはそれ以と混合され、通常は華氏約2000度(1150℃)の高温のバーナ排気ガスを得るべく燃焼される。本発明のジョイントサイクルにおいては、バーナ排気ガスに蒸気が取り込まれており、さらに大気圧よりも高く加圧されている。これにより、蒸気を含んでいないバーナ排気流と比べ、さらなる膨張ポテンシャルが生み出され、この追加の膨張ポテンシャルは、タービンなどの膨張機32で回収することができる。
Finally, an air / steam mixture is fed into the burner from the air /
膨張機32は、バーナ排気の経路上の任意の点に配置することができるが、個々のシステムの温度プロファイルに応じた最適位置がある。図に示しているシステムにおいては、膨張機32にとって好ましい位置は、排気が改質器24を加熱した後である。この配置により、排気は、華氏2000度(1150℃)以上の初期温度をにより、改質器を華氏約1400〜1800度(770〜1000℃)の温度まで加熱することができる。排気は華氏約1400〜1600度(770〜890℃)になり、自動車用膨張機タービンなどの通常の膨張機を動作させるために充分に低い温度である。可能な範囲の極力高い温度にて膨張機を動作させることが、熱力学的に有利である。
The
膨張機は、機械的動力の出力を生成するために使用される。膨張機から取り出し手段により取り出された動力82を、例えば電力を生成するための発電機を駆動するために利用することができ、燃料電池から出力されるシステム電力を補うことができる。これは、総じて相対的に低速な改質システムの起動および応答を、膨張機が供給する電気駆動能力のきわめて急速な上昇で補うことができるため、システムの起動時およびシステムの出力上昇中に特に重要である。迅速な応答は、輸送機器用途において特に重要である。膨張機からの動力を、発電機の代わりに、又はこれに加えてポンプや圧縮機などのシステムの機械的な構成要素を駆動するために使用することができる。
The expander is used to generate mechanical power output. The
タービンまたは他の膨張機での膨張後、排気は膨張によって華氏約200〜400度(110〜220℃)程度冷却され、ほぼ大気圧と同じ圧力となる。次いで、排気は、熱交換器34にて入ってくる蒸気/空気混合物を加熱し、空気/水/蒸気混合物から余分な水を分離し、その後凝縮器36を通過して水を回収する。この水はタンクに戻され、サイクルが完結する。排気は、符号160にてシステムから排出される。
After expansion in a turbine or other expander, the exhaust is cooled to about 200-400 degrees Fahrenheit (110-220 ° C.) by expansion to a pressure approximately equal to atmospheric pressure. The exhaust then heats the incoming steam / air mixture in
凝縮器であるラジエタ36または他の水回収装置は、据え置き型の電力システム、または水の回収が不要であり、あるいは望ましくない他の用途など、すべてのシステムにおいて必ずしも必要ではない。
The condenser,
可搬用途など、水の回収が望まれる用途においては、効率的な水回収を可能にすべく排気の露点を充分高く保つことが重要である。周囲温度が低く、例えば25℃以下である場合、60℃の排気流からの水の凝縮は容易に可能である。しかしながら、周囲温度が40℃のような高温に達する場合、水の回収がより困難になる。この問題に対する通常の解決策は、ラジエタを予想される最悪の場合の周囲温度に合わせた寸法にすることであるが、これは、特に可搬用途において扱いにくくかつ高価になる可能性がある。本発明のシステムは加圧されているため、これに代わる方法を用いることができる。周囲温度が高いとき、例えば可変式の流量制御弁170によって、排気の排出口160に背圧を選択的に加えることができる。空気の圧力が高くなるとともに、空気中の水の飽和体積濃度が減少するため、背圧が排気流の露点を上昇させ、したがって排気中の水の回収がより容易になる。例えば、システムが4気圧で動作している場合、0.5気圧の背圧によって露点を10〜20℃上昇させることができ、より高い周囲温度においてラジエタの寸法を増すことなく効率的な回収を可能にする。背圧は、膨張機を通じての圧力低下が小さくなるため、システムの効率が低下するという犠牲を伴う。しかしながら、背圧は、周囲の条件下で充分な水を回収するために必要な最小値に調節することができ、したがって例えば車両におけるシステムを、種々の温度および天候条件のもとで、それらの条件下で可能な最大の効率を維持しつつ運転することができる。
In applications where water recovery is desired, such as portable applications, it is important to keep the exhaust dew point high enough to enable efficient water recovery. If the ambient temperature is low, for example below 25 ° C., water condensation from the 60 ° C. exhaust stream is easily possible. However, water recovery becomes more difficult when the ambient temperature reaches a high temperature such as 40 ° C. The usual solution to this problem is to size the radiator to the expected worst case ambient temperature, but this can be cumbersome and expensive, especially in portable applications. Since the system of the present invention is pressurized, alternative methods can be used. When the ambient temperature is high, the back pressure can be selectively applied to the
実施形態2
本発明の一体化燃料改質器/燃料電池発電システムの第2の典型的な実施形態が、図2に示されている。この実施形態は、ここでは加圧空気/蒸気混合物が燃料電池スタックへの水の直接噴射によって(少なくとも一部は)生成される点を除き、図1に示した実施形態と類似している。したがって、噴射される水は、カソード空気の加湿ならびに燃料電池の冷却という2つの機能を達成する。燃料電池の加湿/冷却のための水の直接噴射は、本件出願と同一の出願人による国際特許出願No.PCT/EP00/03171(国際公開No.WO00/63992)にさらに詳しく記載されており、上記米国出願は、ここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。水の直接噴射は、既述の燃料電池冷却ループの補完または置き換えとして使用できる。図2に示すように、飽和器/混合器62(図1)が、噴射器80およびポンプ81で置き換えられている。水は、ポンプ81によって所望の量で噴射器80に供給され、燃料電池スタックに噴射される。水は、分離された混合装置内に噴射されて、カソード空気と混合された後で一体となって燃料電池内に噴射されるようにしてもよい。噴射される水の量は、スタックの温度が所定のレベルに調整されるようシステムコントローラによって決定され、水の気化によりスタックから充分な熱を除去するのに不足なく水が供給できる。また、この気化により、カソード空気はほぼまたは完全に飽和し、スタックからの蒸気含有排気流70を生成する。必要であれば、システム内の他の位置で、空気/蒸気流70に追加の水を加えてもよい。例えば、熱交換器56または34においてそれぞれ改質燃料54およびバーナ排気30からの熱を利用し、追加の水を流体70中に蒸発させることができる。また、水の直接噴射とともに冷却ループを同時に使用することができ、バーナ10が使用されていないときなど、種々幅広い条件下における熱の制御が可能となる。
Embodiment 2
A second exemplary embodiment of the integrated fuel reformer / fuel cell power generation system of the present invention is shown in FIG. This embodiment is similar to the embodiment shown in FIG. 1 except that the pressurized air / steam mixture is now generated (at least in part) by direct injection of water into the fuel cell stack. Thus, the injected water accomplishes two functions: humidification of the cathode air and cooling of the fuel cell. The direct injection of water for humidification / cooling of fuel cells is described in the international patent application no. PCT / EP00 / 03171 (International Publication No. WO00 / 63992), which is hereby incorporated by reference herein in its entirety. Direct water injection can be used as a supplement or replacement for the previously described fuel cell cooling loop. As shown in FIG. 2, the saturator / mixer 62 (FIG. 1) has been replaced with an
上記実施形態の効率
システム効率上昇分の計算によれば、ここに示した燃料電池の熱回収システム全体では、著しい向上が可能である。正確な値は、システムの動作状態および多数のさらなる可変要素(変数)によって決まる。可搬システムにおけるシステム効率の一般的な値は、約30〜35%の範囲である。燃料電池の廃熱のエネルギ値の半分を回収することにより、例えば35%のシステム効率から41%(効率における15%の向上)に、システム効率を最低でも5%、より典型的には15%以上改善することができる。より高い割合で燃料電池の廃熱を回収することができ、さらに効率を高めることができる。より高い効率のためには、追加の空気の供給が必要になる場合もあるが、前述のように、その空気は必ずしも燃料電池を通過する必要はない。
According to the calculation of the increase in efficiency system efficiency in the above embodiment, the entire fuel cell heat recovery system shown here can be significantly improved. The exact value depends on the operating state of the system and a number of additional variables (variables). Typical values for system efficiency in portable systems are in the range of about 30-35%. By recovering half of the energy value of the fuel cell waste heat, for example from 35% system efficiency to 41% (15% increase in efficiency), the system efficiency is at least 5%, more typically 15%. This can be improved. The waste heat of the fuel cell can be recovered at a higher rate, and the efficiency can be further increased. For higher efficiency, an additional supply of air may be required, but as mentioned above, that air does not necessarily have to pass through the fuel cell.
水の気化による燃料電池からの熱回収およびその蒸気を使用した膨張機の駆動による効率の向上に加え、膨張した排気をバーナへの供給物の予熱に使用することにより効率が向上することに注目すべきである。これは、膨張機の駆動に必要とされる追加の燃料エネルギを100%回収することにより可能となる。通常は、分離された復熱器では、膨張機の駆動に使用されるエネルギ入力を完全に回収することはできない。 In addition to improving the efficiency by recovering heat from the fuel cell by vaporizing water and driving the expander using the steam, attention is paid to improving the efficiency by using the expanded exhaust to preheat the feed to the burner. Should. This is made possible by recovering 100% of the additional fuel energy required to drive the expander. Normally, a separate recuperator cannot fully recover the energy input used to drive the expander.
どのようにしてこれが可能になるのかを理解するため、ここに開示の構成において膨張機の復熱器として機能する図1の熱交換器34について検討する。入力される空気/蒸気70は、特定の温度、例えば華氏200℃(約95℃)、凝縮器36への出力の設計温度は、例えば華氏400度(約205℃)とする。システムに膨張機が存在しないとすれば、バーナ排気は華氏約1600度(約890℃)で熱交換器34に入り、空気/蒸気混合物は、華氏約1400度(約780℃)で復熱器を出るであろう。このステップの非効率性は、この設計につきものである。一方、システム中に膨張機32が存在する場合には、バーナ排気は、華氏約1300度(約720℃)とうより低い温度で復熱器に入る。したがって、空気/蒸気流は、わずかに華氏約1100度(約610℃)で復熱器を出るであろう。この華氏300度(約165℃)の差は、バーナで追加の燃料を燃焼させることにより補われ、バーナ排気は、華氏約1800〜2000度(約1000〜1100℃)でバーナ10を出て、改質器24を加熱する。しかしながら、このエネルギは、膨張機の通過において排気が華氏1600度から華氏1300度に(約890℃から約720℃に)低下するときに、膨張機にて回収されるエネルギそのものである。したがって、膨張機駆動のために加えられた熱のすべてが回収されるため、膨張機は、膨張機なしのシステムと比べ効率的で、100%の効率となる。
To understand how this is possible, consider the
このように、空気/蒸気流の供給とバーナ排気との間で動作する熱交換器を膨張機の主たる復熱器として設けることは、このジョイントサイクルの本実施形態において、特に好都合である。 It is thus particularly advantageous in this embodiment of the joint cycle to provide a heat exchanger operating between the air / steam flow supply and the burner exhaust as the main recuperator of the expander.
この範囲における効率の向上は、3つの意味で重要である。第1に、ジョイントサイクルを含むシステムの効率が、低排出という燃料電池の利点を維持しつつ、ボトミング・サイクル内燃機関の効率に接近しうる。第2に、ジョイントサイクルは、環境に廃棄する熱が少なく、所定の電力出力に対してより小さい燃料電池および燃料生成器の使用が可能になり、重量およびコストが節約される。第3に、より高い効率は、所与の出力レベルに対して凝縮器であるラジエタなどの熱廃棄手段の小型化に直接つながる。第2および第3の効果が掛け合わされるため、ラジエタ面積の低減は、潜在的にきわめて大きい。 Efficiency improvements in this range are important in three ways. First, the efficiency of a system including a joint cycle can approach the efficiency of a bottoming cycle internal combustion engine while maintaining the fuel cell advantage of low emissions. Secondly, the joint cycle saves heat and waste into the environment, allowing the use of smaller fuel cells and fuel generators for a given power output, saving weight and cost. Third, the higher efficiency directly leads to the miniaturization of heat waste means such as a radiator that is a condenser for a given power level. Because the second and third effects are multiplied, the reduction in radiator area is potentially very large.
このジョイントサイクルの鍵となる原理は、低温「廃」熱、特に燃料電池動作の廃熱を使用して水を圧縮空気中に蒸発させることにより、これらの廃熱からエネルギを抽出することである。次いで、得られた空気/蒸気または空気/蒸気/水混合物が、適宜の方法で加熱され、最終的に、高温かつ加圧下で膨張機に噴射される。膨張機は、機械的仕事を生成するために使用される。生成される正味の機械的仕事は、水の気化によって空気/蒸気/水混合物に与えられ、冷却水などから奪われた潜熱に相当する。吸収された潜熱が、ジョイントサイクルの使用によって達成される正味のエネルギ獲得の基礎である。 The key principle of this joint cycle is to extract energy from these waste heats by evaporating the water into the compressed air using the low temperature “waste” heat, especially the waste heat from fuel cell operation. . The resulting air / steam or air / steam / water mixture is then heated in a suitable manner and finally injected into the expander at elevated temperature and pressure. The expander is used to generate mechanical work. The net mechanical work generated is given to the air / steam / water mixture by vaporization of water and corresponds to the latent heat taken away from the cooling water and the like. The absorbed latent heat is the basis for the net energy gain achieved through the use of a joint cycle.
前述のとおり気化、加熱および膨張の組み合わせであるジョイントサイクルは、原理的に、あらゆる燃料電池ベースの電力システムの効率向上に適している。より複雑になるが、回収すべき廃熱が低温であるため、直接の蒸気生成に使用することが難しい場合、最も適用価値がある。上部の動作温度が通常約100℃未満であるPEM燃料電池において、特に好都合である。しかしながら、より高温のPEM膜へのジョイントサイクルの適用においては、より大量の蒸気を使用して、より高圧で動作させればより大きな出力が得られることに注目すべきである。 The joint cycle, which is a combination of vaporization, heating and expansion as described above, is in principle suitable for improving the efficiency of any fuel cell based power system. Although more complex, it is most applicable when it is difficult to use for direct steam generation because the waste heat to be recovered is cold. This is particularly advantageous in PEM fuel cells where the upper operating temperature is usually below about 100 ° C. However, it should be noted that in joint cycle applications to higher temperature PEM membranes, using a larger amount of steam and operating at higher pressures will result in greater output.
システムを構成する各モジュールの正確な種類に応じて、特に熱の伝達および交換の詳細において調整が必要となる可能性があり、いくつかの選択肢が検討されている。図1の実施形態では、改質器を蒸気改質器として示したが、少なくともいくらかの部分酸化を、分離されたモジュールでもオートサーマルモードでも、使用することができる。一酸化炭素除去システムは、水性ガスシフトと選択酸化の組み合わせであってよく、あるいは水性ガスシフトを伴う、または伴わない、PSA、TSA、選択的メタン生成、または水素選択膜によってもよい。原理的には、あらゆる膨張機が有用であるが、華氏1000〜2000度(550〜1150℃)の範囲で動作する小型で軽量な市販の膨張機という点で、タービンが好ましい選択肢である。 Depending on the exact type of each module that makes up the system, adjustments may be required, particularly in the details of heat transfer and exchange, and several options are being considered. In the embodiment of FIG. 1, the reformer is shown as a steam reformer, but at least some partial oxidation can be used, either in a separate module or in autothermal mode. The carbon monoxide removal system may be a combination of water gas shift and selective oxidation, or may be PSA, TSA, selective methanogenesis, or hydrogen selective membrane with or without water gas shift. In principle, any expander is useful, but a turbine is the preferred option in terms of a small, lightweight commercial expander that operates in the range of 1000-2000 degrees Fahrenheit (550-1150 ° C.).
燃料電池技術の開発において、システム効率を向上させることは、永年にわたる目標である。したがって、本発明のジョイントサイクルの組み込みによってもたらされる燃料改質器/燃料電池システムの改善は重要であり、一体化燃料改質器/燃料電池システムの商業的成功を後押しするものと期待される。 In the development of fuel cell technology, improving system efficiency has been a goal over the years. Therefore, the improvement of the fuel reformer / fuel cell system brought about by the incorporation of the joint cycle of the present invention is important and is expected to boost the commercial success of the integrated fuel reformer / fuel cell system.
実施形態3
「ジョイントサイクル」は、改質器を備えていないシステムにも適用可能である。アノードからの余分な燃料を燃焼させるためのバーナを追加し、燃料電池の廃熱を利用して水を圧縮空気中に気化させることにより、蒸気含有排気流を膨張機に供給することができ、廃熱を機械的エネルギとして回収することが可能になる。
Embodiment 3
The “joint cycle” is also applicable to a system not equipped with a reformer. By adding a burner to burn excess fuel from the anode and using the waste heat of the fuel cell to vaporize water into the compressed air, a steam-containing exhaust stream can be supplied to the expander, Waste heat can be recovered as mechanical energy.
本発明の非ハイブリッド「純」水素方式燃料電池発電システムの一例を、図3に概略的に示す。PEMスタックなどの燃料電池スタック110が、アノード室112、カソード室114、および冷却装置116を有する。アノード112には、貯蔵タンクなどの加圧された供給源120から水素が供給される。カソード114には、好ましくは加圧空気/蒸気混合物からなる酸素含有ガスが供給される。燃料電池における水素と酸素含有反応物質との間の電気化学反応が、電力を生成する。
An example of a non-hybrid “pure” hydrogen fuel cell power generation system of the present invention is schematically illustrated in FIG. A
燃料電池は、有用な電力のほかに廃熱も生成し、この廃熱は、冷却装置116によって燃料電池スタックから除去される。冷却装置116は、一般に、燃料電池110のカソード部114およびアノード部112と熱的に接する冷却ループ部130を有する。加圧冷却水が、ポンプ132によって駆動され、冷却装置116を通って循環する。燃料電池110からの廃熱が、低温の冷却水に伝達され、この冷却水が燃料電池110の外に送り出されることによりセルから廃熱が除去される。燃料電池110を出たのち、加熱された冷却水は飽和器134に供給される。また飽和器134には、空気導入口122から入り圧縮機124によって加圧された空気が、経路136を介して供給される。冷却ループ130からの温水(約60〜70℃)の一部が、圧縮空気136内に気化し、空気と蒸気からなる飽和混合物が生成される。通常は空気または他の酸化剤である加圧ガス内への温水の気化は、一般に「分圧沸騰」と称される。
In addition to the useful power, the fuel cell also generates waste heat, which is removed from the fuel cell stack by the
水は、冷却水として直接的に加熱されるか、あるいは冷却水または排気との熱交換によって間接的に加熱される。水は加圧されて加圧空気と混合され、冷却水とほぼ同等かそれ以下の温度で、空気の一部または全部を水で飽和させる。加圧空気中への冷却水の分圧沸騰は、図3に示すような外部の飽和器134によって達成してもよく、あるいは(以下でさらに詳しく説明するように)燃料電池スタック110内で達成してもよいことは、理解できるであろう。さらに、随意により分圧沸騰の一部かまたは全部を、図3に示すように加圧空気流がカソードに入る前ではなく、燃料電池スタック110の下流で行なうことも可能である。
The water is heated directly as cooling water or indirectly by heat exchange with cooling water or exhaust. The water is pressurized and mixed with pressurized air and saturates some or all of the air with water at a temperature approximately equal to or below that of the cooling water. The partial pressure boiling of the cooling water into the pressurized air may be achieved by an
図3の実施形態に戻ると、水で飽和した空気が、経路138を介して燃料電池カソード114に運ばれ、燃料電池のための酸化反応剤として機能する。次いで、空気‐蒸気混合物が、排気として燃料電池を出て、その水分を含んだカソード排気146がバーナ140に運ばれる。
Returning to the embodiment of FIG. 3, air saturated with water is carried to
この実施形態では、スタックのアノード側112は、通常、「行き止まり」モードで動作する。すなわちアノードの出口がパージ弁119によって閉じられており、このパージ弁119がある時間間隔で開いて、いくらかの未使用の水素および復水を含んでいるアノード排気118がスタックから放出される。カソード排気146と同様、パージされたアノード排気118もバーナ140に供給される。
In this embodiment, the
バーナ140において、アノード排気118に含まれているすべての水素がカソード排気146の蒸気/空気混合物とともに燃焼し、高温の蒸気含有排気流142が生み出される。さらに、好ましくは、バーナ140に水素供給源120からの追加の水素燃料が供給され、制御可能な絞り弁126を通じてバーナ140に入る。随意により、アノード排気によって供給される燃料を超えて必要となる超過分の燃料を供給するため、非水素燃料を含む他の供給源からの燃料を使用することができる。
In the
一般に、バーナを運転するために必要とされる燃料の量(アノード排気燃料および他の燃料を含む)は、燃料電池に必要とされる燃料の量のおよそ半分までである。バーナに燃料を供給するため、燃料電池を、大量の水素をバイパスさせてバーナに供給するように構成することができる(すなわち、燃料電池を必ずしも「行き止まり」モードで動作させる必要はない)。これにより、所与の電力出力のために必要な膜電極面積を減らすことができ、ひいては電力システムのコストを低減することができる。触媒中の白金または他の高価な材料ゆえ、電極面積がシステムのコストのかなりの部分を占めているためである。 In general, the amount of fuel required to operate the burner (including anode exhaust fuel and other fuels) is up to approximately half of the amount of fuel required for the fuel cell. To supply fuel to the burner, the fuel cell can be configured to bypass the large amount of hydrogen and supply the burner (ie, the fuel cell does not necessarily have to be operated in a “dead end” mode). This can reduce the membrane electrode area required for a given power output, which in turn can reduce the cost of the power system. This is because electrode area accounts for a significant portion of the cost of the system because of platinum or other expensive material in the catalyst.
次いで、バーナ140から出た、加圧された蒸気含有排気流142が、通常はタービンである膨張機144を通過して膨張し、機械的出力が生成される。膨張機144からの機械的出力を、加圧空気流136を供給する圧縮機124を駆動するために使用することができる。さらに、膨張機144からの機械的出力は、取り出し動力82を介して、電力を生成すべく発電機を駆動するために使用することができ、および/またはポンプもしくは圧縮機などのシステムの機械的構成部品を駆動するために使用することができ、および/または別の方法でシステムの出力を補うことができる。膨張機の配置はバーナの下流側でバーナに続く位置が好ましいが、膨張機がそのような配置での高温に耐えられない場合には、まずバーナ排気を、例えば弁126から流入する燃料や熱交換器148からの空気‐蒸気流146など、適切な流体との熱交換により若干冷却してからその排気を膨張機144に入れることができる。
The pressurized steam-containing
カソードからの加圧空気‐蒸気排気流146は、好ましくは、バーナ140への導入に先立って予熱される。例えば、図3に示したように、空気/蒸気カソード排気流146が、熱交換器/復熱器148において、膨張後のタービン排気150との熱交換によって加熱される。随意により、膨張後の排気との熱交換によるバーナへの導入の予熱の代わりに、あるいはこれに加えて、バーナへの導入前の予熱を膨張前の排気との熱交換(図示されていない)によって行なってもよい。膨張前の排気流との熱交換によって、膨張機で生成されるエネルギがいくらか少なくなるであろうが、排気の温度がより低くなるならば、より安価な膨張機の使用が可能になる。
The pressurized air-
最後に、冷却された排気流152は、予熱用熱交換器148を通過したのち、好ましくは水を回収するための凝縮ラジエタ154を通過する。凝縮ラジエタ154からの水は、タンク156に回収され、ポンプ158によって飽和器134に供給される。冷却された排気流160は、排気出口160においてシステムから排出される。また、図1および図2の実施形態と同様、例えば可変の流量制御弁170によって、排気出口160に背圧を選択的に加えることができる。背圧が排気流の露点を上昇させ(空気の圧力上昇に伴い、空気中の水の飽和体積濃度が減少するため)、その結果、周囲温度が高い環境において排気中の水の回収がより容易になる。
Finally, the cooled
据え置き型の電力システムや、水の回収が不要でまたは望ましくない他の用途など、凝縮ラジエタ154その他の水回収装置を必要としないシステムも存在することは、理解できるであろう。
It will be appreciated that there are systems that do not require a condensing
本発明は、通常の非ハイブリッド水素方式燃料電池システムに対して、大きな利点を有している。スタックの低品質な廃熱の一部を機械的または電気的な動力として回収することにより、一定の燃料電池寸法における正味の出力が増加する。さらに、バーナで余分な水素および/または他の燃料を燃焼させることによって排気の露点が上昇するため、妥当なラジエタ寸法においては完全な水の再循環がより容易に可能であり、また廃熱の一部が回収されるため、廃棄される熱が少なくなる。さらに、カソードへの空気流を加圧しているため燃料電池の効率がより高く、またこの空気の圧縮に必要な余分の動力は、膨張機であるタービンによる熱の回収と相殺される。タービンのサイクル効率は、自由潜熱ランキンサイクルが追加されたために高くなる。 The present invention has significant advantages over conventional non-hybrid hydrogen fuel cell systems. By recovering some of the low quality waste heat from the stack as mechanical or electrical power, the net power at a given fuel cell size is increased. In addition, burning the excess hydrogen and / or other fuel in the burner increases the dew point of the exhaust, making full water recirculation easier at reasonable radiator sizes and reducing waste heat. Since some is recovered, less heat is wasted. In addition, the pressure of the air flow to the cathode increases the efficiency of the fuel cell, and the extra power required to compress this air is offset by the heat recovery by the expander turbine. The cycle efficiency of the turbine is increased due to the addition of a free latent heat Rankine cycle.
実施形態4
次に図4に目を向けると、本発明の純水素方式燃料電池発電システムについての別の実施形態が示されており、加湿および冷却の両方を行なうため、水を燃料電池に直接噴射することによって水を加圧空気中に気化させている。図2の実施形態と同様、この例においては、図3の冷却ループおよび飽和器132が、噴射・混合器180によって置き換えられており、噴射・混合器180には、ポンプ158’によってタンク156から水が供給されている。この噴射器が、水を圧縮機124からの加圧空気と混合し、水/空気混合物を燃料電池110のカソード114に噴射する。この水が燃料電池を冷却および加湿し、この水の少なくとも一部がカソード空気中に気化し、バーナ140で使用される加圧空気/蒸気混合物146が生成される。噴射/混合は、ここで示すように分離したの装置180によって行なうことができ、あるいは水を加圧カソード空気と混合すべくスタックに直接噴射することも可能である。必要であれば、バーナ排気からの熱を使用し、復熱器148の手前または復熱器148内で、カソード排気146中に追加の水を気化させることができる。例えばバーナが使用されていないときなどの種々幅広い状況下にで熱の制御を可能にするため、冷却ループも設けられている中間的な構成も可能である。
Embodiment 4
Turning now to FIG. 4, another embodiment of the pure hydrogen fuel cell power generation system of the present invention is shown, in which water is injected directly into the fuel cell for both humidification and cooling. The water is vaporized in the pressurized air. Similar to the embodiment of FIG. 2, in this example, the cooling loop and
システムの他の構成要素および特徴
上記の本発明のいずれの実施形態においても熱交換が望ましく、あるいは必要とされる場合には、当業者に知られ、あるいは利用されているいずれの熱交換または熱伝達の方法も、本発明に適する。実現可能であれば、モジュールを1つまたはそれ以上の共通のハウジング内に一体化することが、効率的な熱伝達をもたらす有効な方法である。したがって、改質ゾーンを、バーナ・ゾーンの周囲またはバーナ・ゾーン内に、環状に配置してもよい。さらに、ゾーン間の熱伝達を、チューブや他の中空構造などの通常の熱交換器によって行なってもよく、さらにはフィンなどの受動素子によって伝達してもよい。
Other components and features of the system Where any heat exchange is desired or required in any of the embodiments of the invention described above, any heat exchange or heat known or utilized by those skilled in the art. The method of transmission is also suitable for the present invention. If feasible, integrating modules in one or more common housings is an effective way to provide efficient heat transfer. Thus, the reforming zone may be arranged in a ring around the burner zone or within the burner zone. Furthermore, heat transfer between the zones may be performed by a normal heat exchanger such as a tube or other hollow structure, or may be transmitted by a passive element such as a fin.
また、原理的には、あらゆる種類の膨張機がシステム効率の向上に使用可能であるが、上記実施形態においては、膨張機としてタービンを使用することが現時点では好ましい。タービンの利点は、ガソリン、プロパンまたはメタンなどの燃料を使用する場合の改質反応を触媒するための好ましい温度と同等あるいはそれより低い華氏1200〜1600度(約650〜900℃)のような高温において、高い信頼性で動作できるタービンが利用可能である点にある。メタノールなどの他の燃料においては、改質反応の温度はより低くなるであろう。最大限の正味の機械的仕事、すなわち廃熱回収プロセスの最初で空気を圧縮するために消費される仕事を超える仕事を得るため、膨張機を可能な限り高い温度で動作させることが、きわめて好ましい。タービンは、その効率がある特定のガス流速において鋭いピーク示すという点が不利になる可能性がある。本発明のシステムにおいては、これを、圧縮空気/水熱交換を、最大負荷において生成される過剰な燃料電池の熱の約40%〜50%を除去するような大きさとすることによって、補うことができる。その結果、システムに入る圧縮空気流量を最大出力の約40%から100%までの一定のレベルに保つことができ、廃熱の回収の効率を維持することができる。廃熱の残りの部分は、通常の熱交換方法によって除去することができる。 Also, in principle, any type of expander can be used to improve system efficiency, but in the above embodiment, it is currently preferred to use a turbine as the expander. The advantages of turbines are high temperatures such as 1200-1600 degrees Fahrenheit (about 650-900 ° C.) that are equal to or lower than the preferred temperature for catalyzing the reforming reaction when using fuels such as gasoline, propane or methane. However, it is possible to use a turbine that can operate with high reliability. For other fuels such as methanol, the temperature of the reforming reaction will be lower. It is highly desirable to operate the expander at the highest possible temperature in order to obtain maximum net mechanical work, ie work that exceeds the work consumed to compress the air at the beginning of the waste heat recovery process. . Turbines can be disadvantageous in that their efficiency exhibits a sharp peak at a particular gas flow rate. In the system of the present invention, this is compensated by sizing the compressed air / water heat exchange to remove approximately 40% to 50% of the excess fuel cell heat generated at maximum load. Can do. As a result, the flow rate of compressed air entering the system can be maintained at a constant level from about 40% to 100% of the maximum output, and the efficiency of waste heat recovery can be maintained. The remaining part of the waste heat can be removed by conventional heat exchange methods.
別の方法としては、特に燃料電池の冷却に使用された水または熱交換の実施において加熱された水を含む水を、燃料電池の後方かつバーナへの噴射前において空気/蒸気経路にさらに噴射することで、体積流量を膨張機にとって適切な範囲に維持しつつ、低温エネルギのさらなる回収が可能になる。さらに、最適な空気流量がPEM燃料電池などの燃料電池内に乾燥を生じさせる場合には、圧縮空気または空気/蒸気の一部を、燃料電池をバイパスし、加熱のため燃料電池のを通過したカソード排気と合流させることができる。 Another method is to inject further water, particularly water used to cool the fuel cell or water that has been heated in the performance of heat exchange, into the air / steam path behind the fuel cell and before injection into the burner. This allows further recovery of low temperature energy while maintaining the volumetric flow rate in the appropriate range for the expander. In addition, if the optimal air flow causes drying in a fuel cell such as a PEM fuel cell, some of the compressed air or air / steam has passed through the fuel cell for heating, bypassing the fuel cell. Can be combined with cathode exhaust.
高温が要求されるため、システムにおける膨張機の配置は制限を受ける。最大効率を得るため、膨張機の温度は、可能な範囲で高いほうがよい。通常の金属製タービンにおいては、これは華氏約1000〜1600度(約450〜900℃)の範囲であり、特に華氏約1300〜1500度(約720〜850℃)が好ましい。これは、一般的に華氏約1800〜2000度(約1000〜1150℃)である排気に、タービンを直接さらすことができないということを意味する。したがって、改質器が存在する(前記実施形態1および2のように)のであれば、排気がまず改質器を加熱するために使用され、次いでタービンにおいて膨張することが好ましい。これは、改質反応の温度を最大にするためにも好ましい。しかしながら、メタノールなど、不安定であって低温で改質が容易な燃料を使用する場合は、セラミック製のタービンなど、より高い華氏約1600〜2000度(約850〜1150℃)までの範囲の温度で動作できる膨張器を使用し、バーナの下流の最初の構成部品として配置することが好ましいかもしれない。その結果、より低温のガスを、改質器を加熱すべく使用することができる。入手しにくいが、他の耐高温の膨張機、特には正圧膨張機を、バーナ排気中の加熱空気/蒸気混合物のエネルギを回収するため、本発明において使用することができる。 Due to the high temperatures required, the placement of expanders in the system is limited. In order to obtain maximum efficiency, the temperature of the expander should be as high as possible. In a typical metal turbine, this is in the range of about 1000-1600 degrees Fahrenheit (about 450-900 ° C), with about 1300-1500 degrees Fahrenheit (about 720-850 ° C) being particularly preferred. This means that the turbine cannot be directly exposed to exhaust, which is typically about 1800 to 2000 degrees Fahrenheit (about 1000 to 1150 ° C.). Thus, if a reformer is present (as in Embodiments 1 and 2 above), it is preferred that the exhaust be first used to heat the reformer and then expand in the turbine. This is also preferred to maximize the temperature of the reforming reaction. However, when using fuels that are unstable and easy to reform at low temperatures, such as methanol, a higher temperature in the range of about 1600 to 2000 degrees Fahrenheit (about 850 to 1150 ° C.), such as a ceramic turbine. It may be preferable to use an inflator that can be operated on and be placed as the first component downstream of the burner. As a result, cooler gas can be used to heat the reformer. Although not readily available, other high temperature resistant expanders, particularly positive pressure expanders, can be used in the present invention to recover the energy of the heated air / steam mixture in the burner exhaust.
改質器を備えずに水素を供給する他の方法として、アノードにおける燃料の直接酸化がある。そのような用途にはメタノールが特に適しているが、他のアルコール類も使用可能である(そのような使用の説明については、例えば、米国特許No.6,423,203を参照されたい)。それらの「改質器なし」の燃料電池は、「純」水素燃料方式の燃料電池の前述のシステムに用いることによって、効率の面でメリットがある。廃熱の一部がアノードにおける燃料の改質に消費される分だけ、利用できる廃熱は少なくなるであろう。しかしながら、この廃熱の燃料改質への利用は多くの場合、水素または改質燃料が供給される燃料電池よりも効率が低くなり、したがってアノード排気が、バーナに必要とされる燃料供給のより多くの部分を供給することになる。さらに、燃料がいくらかの水を含んでいる限りにおいて、あるいは前もって気化されている場合には水蒸気を含んでいる限りにおいて、アノード排気が、いくらかの気化した水を供給することができる。そのような場合、「直接方式」燃料電池は、自身が水素源であると考えることができ、したがって、そのような実施形態がバーナおよび膨張機の付帯コストを回収するのに充分な効率向上をもたらす場合、本発明の範囲内に包含される。 Another method of supplying hydrogen without a reformer is direct oxidation of fuel at the anode. Methanol is particularly suitable for such applications, but other alcohols can be used (see, eg, US Pat. No. 6,423,203 for a description of such use). These “reformerless” fuel cells are advantageous in terms of efficiency when used in the aforementioned systems of “pure” hydrogen fuel type fuel cells. As much of the waste heat is consumed for fuel reforming at the anode, less waste heat will be available. However, the use of this waste heat for fuel reforming is often less efficient than a fuel cell fed with hydrogen or reformed fuel, so that anode exhaust is less than the fuel feed required for the burner. Many parts will be supplied. In addition, the anode exhaust can provide some vaporized water as long as the fuel contains some water or, if previously vaporized, contains water vapor. In such a case, a “direct mode” fuel cell can be considered as a source of hydrogen itself, and thus such an embodiment provides sufficient efficiency improvement to recover the incidental costs of burners and expanders. If provided, it is included within the scope of the present invention.
以上、本発明を、好ましい実施形態を参照しながら詳細に示して説明してきたが、添付の特許請求の範囲に含まれる発明の範囲内で、形態や詳細においてさまざまな変更が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。 Although the present invention has been shown and described in detail with reference to the preferred embodiments, it is understood that various changes in form and details are possible within the scope of the invention included in the appended claims. Those skilled in the art will understand.
10 バーナ
12 加圧空気/蒸気混合物
14 燃料
32 膨張機
36 凝縮器
40 タンク
42 ポンプ
44 燃料電池
64 圧縮機
82 出力取り出し
110 燃料電池
112 アノード
114 カソード
124 圧縮機
140 バーナ
144 膨張機(タービン)
154 凝縮器(ラジエタ)
156 (水)タンク
158 ポンプ
170 流量制御弁
10
154 Condenser (Radiator)
156 (Water)
Claims (47)
前記燃料電池のアノードに水素燃料を供給する水素燃料供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素と反応させて電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記燃料電池内に液体として直接噴射される液体を供給する、前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させ、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
バーナ燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通する膨張機であって、前記蒸気含有排気流によって駆動され、前記空気の加圧に必要な動力を超える出力を生成する膨張機とを備え、
前記水素燃料は、水素ガスおよび少なくとも1種類のアルコールからなる群から選択され、
前記水素ガスは、各システムに個別に設けられる燃料改質ユニットとは別の供給源から供給されるものであり、
前記少なくとも1種類のアルコールは、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、前記燃料電池のアノードにおいて少なくとも一部が改質されたものであり、
前記膨張機から前記超過出力を動力として取り出す燃料電池発電システム。A fuel cell having an anode and a cathode;
And a hydrogen fuel source to supply hydrogen fuel to the anode of the fuel cell,
A compressor for generating a pressurized air flow, wherein the generated compressed air flow is supplied to a cathode of the fuel cell, and reacts with hydrogen of the anode in the fuel cell membrane to generate electric power and waste heat. A compressor,
A liquid supply source that communicates with the pressurized air flow to supply a liquid that is directly injected as a liquid into the fuel cell, wherein at least a portion of the liquid from the supply source is heated by waste heat of the power generation system A liquid source that vaporizes into the pressurized air stream to produce a pressurized mixture of air and steam;
Burning a burner fuel with the pressurized air / steam mixture to produce a steam-containing exhaust stream;
An expander in communication with the burner, the expander being driven by the steam-containing exhaust stream and generating an output exceeding the power required for pressurizing the air;
The hydrogen fuel is selected from the group consisting of hydrogen gas and at least one alcohol;
The hydrogen gas is supplied from a source different from a fuel reforming unit provided individually in each system,
The at least one alcohol is at least partially reformed at the anode of the fuel cell so as to generate hydrogen directly at or near the fuel cell membrane;
A fuel cell power generation system for taking out the excess output as power from the expander.
水素燃料供給源から燃料電池のアノードに水素燃料を供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードに供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記燃料電池内に直接液体を噴射し、かつ前記燃料電池内で前記液体を加圧空気中へと気化させて、加圧空気/蒸気混合物を生成する過程と、
バーナ燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、前記加圧空気流の供給に必要な動力を超える出力を生成する過程と、
前記膨張機から超過出力を取り出す過程と
を含み、
前記水素燃料供給過程において、
前記水素燃料を、水素ガスおよび少なくとも1種類のアルコールからなる群から選択し、
前記水素ガスを、各システムに個別に設けられる燃料改質ユニットとは別の供給源から供給し、
前記少なくとも1種類のアルコールを、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、前記燃料電池のアノードにおいて少なくとも一部を改質する、
方法。A method for efficient operation of a fuel cell power generation system, comprising:
A step of supplying hydrogen fuel to the anode of the fuel cell from the hydrogen fuel supply source,
A process of compressing an oxygen-containing gas to generate a pressurized air stream;
Supplying the pressurized air to the cathode of the fuel cell;
Reacting the hydrogen and the pressurized air in the fuel cell to generate electric power and waste heat;
Injecting liquid directly into the fuel cell and evaporating the liquid into pressurized air in the fuel cell to produce a pressurized air / vapor mixture;
Combusting burner fuel with the pressurized air / steam mixture to produce a hot steam-containing exhaust stream;
Expanding the hot steam-containing exhaust stream with an expander to produce an output that exceeds the power required to supply the pressurized air stream;
Look including a step of taking out the excess output from said expander,
In the hydrogen fuel supply process,
The hydrogen fuel is selected from the group consisting of hydrogen gas and at least one alcohol;
The hydrogen gas is supplied from a source different from the fuel reforming unit provided individually in each system,
Reforming at least a portion of the at least one alcohol at the anode of the fuel cell to produce hydrogen directly at or near the fuel cell membrane;
Method.
未反応の水素を含有する排気を、前記燃料電池のアノードから放出する過程、および
前記未反応の水素を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、前記高温の蒸気含有排気流を生成する過程を含む方法。In claim 25 , further
Releasing the exhaust containing unreacted hydrogen from the anode of the fuel cell, and combusting the unreacted hydrogen together with the pressurized air / steam mixture to produce the hot steam-containing exhaust stream. A method that includes a process.
前記燃料電池のアノードに水素ガスを供給する供給源であって、各システムに個別に配置される燃料改質ユニットとは別の水素ガスの供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素ガスと反応させて電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記燃料電池内に液体として直接噴射される液体を供給する、前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させて空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通し、前記蒸気含有排気流によって駆動されて出力を生成する膨張機とを有している非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システム。A fuel cell having an anode and a cathode;
A supply source for supplying hydrogen gas to the anode of the fuel cell, wherein the supply source of hydrogen gas is different from the fuel reforming unit disposed individually in each system;
A compressor that generates a flow of pressurized air, supplying the generated pressurized air flow to the cathode of the fuel cell and reacting with the hydrogen gas of the anode in the fuel cell membrane to generate power and waste heat. A compressor to let
A liquid supply source that communicates with the pressurized air flow to supply a liquid that is directly injected as a liquid into the fuel cell, wherein at least a portion of the liquid from the supply source is heated by waste heat of the power generation system A liquid source that is vaporized into the pressurized air stream to produce a pressurized mixture of air and steam;
A burner for burning fuel together with the pressurized air / steam mixture to produce a steam-containing exhaust stream;
A non-hybrid hydrogen fuel cell power generation system having an expander that communicates with the burner and is driven by the steam-containing exhaust stream to generate output.
各システムに個別に配置された燃料改質ユニットとは別の供給源から水素を燃料電池のアノードへと供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードへと供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記燃料電池内に直接液体を噴射し、かつ前記燃料電池内で前記液体を加圧空気中へと気化させて、加圧空気/蒸気混合物を生成する過程と、
燃料を前記加圧空気/蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、出力を生成する過程とを含む方法。A method for efficient operation of a non-hybrid hydrogen fuel cell power generation system, comprising:
Supplying hydrogen to the anode of the fuel cell from a source different from the fuel reforming unit individually disposed in each system;
A process of compressing an oxygen-containing gas to generate a pressurized air stream;
Supplying the pressurized air to the cathode of the fuel cell;
Reacting the hydrogen and the pressurized air in the fuel cell to generate electric power and waste heat;
Injecting liquid directly into the fuel cell and evaporating the liquid into pressurized air in the fuel cell to produce a pressurized air / vapor mixture;
Combusting fuel with the pressurized air / steam mixture to produce a hot steam-containing exhaust stream;
Expanding the hot steam-containing exhaust stream with an expander to produce an output.
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